유성 기어박스 vs 하모닉 감속기: 선택 방법

기어 감속기는 단순히 모터의 고속 회전을 저속·고토크 출력으로 변환하는 역할만 하는 것이 아닙니다. 로봇 및 자동화 시스템에서 감속기의 선택은 토크 용량, 속도, 위치 정확도, 비틀림 강성, 효율, 중량, 내구성 및 전체 시스템 비용에 직접적인 영향을 미칩니다.

가장 널리 사용되는 동력 전달 기술로는 유성 기어 감속기와 하모닉 기어 감속기가 있습니다. 두 방식 모두 비교적 컴팩트한 구조에서 높은 감속비를 구현할 수 있지만, 이를 달성하는 기계적 원리는 근본적으로 다릅니다.

유성 감속기는 강체 기어의 맞물림과 하중 분산을 통해 토크를 전달하는 반면, 하모닉 감속기는 제어된 탄성 변형과 차동 치합을 이용하여 매우 낮은 백래시로 높은 감속비를 구현합니다.

이러한 차이를 이해하는 것은 로봇 관절, 액추에이터, AGV, 산업 자동화 시스템 또는 기타 정밀 모션 애플리케이션에 적합한 감속기를 선택할 때 매우 중요합니다. 이 가이드에서는 두 기술을 엔지니어링 관점에서 비교하고, 각각의 특성이 실제 애플리케이션에서 어떻게 적용되는지 설명합니다.

유성 기어 감속기란 무엇인가?

유성 기어 감속기는 여러 기어가 함께 작동하여 속도를 낮추고 토크를 높이는 방식의 컴팩트한 동력 전달 시스템입니다.

구조

일반적인 유성 기어박스는 다음 네 가지 주요 구성 요소로 이루어집니다.

• 선기어(Sun gear) — 일반적으로 모터에서 입력을 받는 중앙 기어입니다.

• 유성기어(Planet gears) — 선기어를 둘러싸며 선기어와 맞물리는 여러 개의 기어입니다.

• 링기어(Ring gear) — 내부 톱니를 가진 외부 기어로, 유성기어와 맞물립니다.

• 유성 캐리어(Planet carrier) — 유성기어를 지지하며 출력 측으로 또는 출력 측에서 회전 운동을 전달합니다.

정확한 입력, 출력 및 고정 구성 요소는 기어박스의 구성 방식에 따라 달라질 수 있습니다.

이러한 구조를 통해 단일 기어 쌍에 의존하는 대신 여러 유성기어가 전달 하중을 분산하여 부담할 수 있습니다.

작동 원리

작동 원리는 다음과 같이 간단하게 설명할 수 있습니다.

1.  모터가 선기어를 구동합니다.

2. 선기어가 유성기어를 회전시킵니다.

3. 유성기어가 링기어의 내부 톱니와 맞물립니다.

4. 유성기어가 선기어 주위를 공전하면서 유성 캐리어가 회전합니다.

5. 캐리어는 출력으로 사용될 수 있으며, 이때 더 낮은 회전 속도와 더 높은 토크를 제공합니다.

단일 유성 기어단으로 중간 수준의 감속비를 구현할 수 있습니다. 더 높은 감속비가 필요한 경우 여러 유성 기어단을 결합할 수 있습니다.

따라서 유성 기어박스는 속도, 토크 및 감속비의 다양한 조합에 유연하게 대응할 수 있습니다.

하모닉 기어 감속기란 무엇인가?

스트레인 웨이브 감속기(Strain Wave Reducer)라고도 하는 하모닉 기어 감속기는 근본적으로 다른 메커니즘을 사용합니다.

강체 기어의 회전에만 의존하는 대신, 유연한 구성 요소의 제어된 탄성 변형을 이용하여 감속비를 형성합니다.

구조

일반적인 하모닉 감속기는 다음 세 가지 주요 구성 요소로 이루어집니다.

• 웨이브 제너레이터(Wave generator)

• 플렉스스플라인(Flexspline)

• 서큘러 스플라인(Circular spline)

웨이브 제너레이터는 일반적으로 타원형 캠과 베어링 어셈블리로 구성됩니다.

플렉스스플라인은 외부 톱니를 가진 얇은 벽의 유연한 구성 요소입니다.

서큘러 스플라인은 내부 톱니를 가진 강체 링입니다.

플렉스스플라인과 서큘러 스플라인의 톱니 수 차이는 감속기가 운동을 생성하는 방식의 핵심 요소입니다.

작동 원리

동력 전달 과정은 다음과 같은 단계로 이해할 수 있습니다.

1. 모터가 웨이브 제너레이터를 회전시킵니다.

2. 타원형 웨이브 제너레이터가 플렉스스플라인을 변형시킵니다.

3. 변형된 플렉스스플라인이 여러 위치에서 서큘러 스플라인과 맞물립니다.

4. 두 스플라인의 톱니 수가 약간 다르기 때문에 웨이브 제너레이터가 한 바퀴 회전할 때마다 두 스플라인 사이에 작은 상대 운동만 발생합니다.

5. 이를 통해 높은 감속비와 저속 출력을 얻을 수 있습니다.

이 메커니즘을 통해 하모닉 감속기는 여러 기어단을 필요로 하지 않고도 컴팩트한 구조에서 높은 감속비를 구현할 수 있습니다.

유성 감속기 vs. 하모닉 감속기: 정면 비교

두 기술을 단일 사양만으로 비교해서는 안 됩니다. 더 나은 선택은 시스템에 실제로 필요한 요구사항에 따라 달라집니다.

백래시 및 정밀도

이는 아마도 가장 명확한 차이점일 것입니다.

유성: 유성 기어박스는 맞물리는 톱니 사이에 제어된 간극을 가진 강체 기어를 사용합니다. 고정밀 유성 기어박스는 매우 낮은 백래시를 구현할 수 있지만, 일반적으로 일정 수준의 기계적 유격은 존재합니다.

하모닉: 플렉스스플라인과 서큘러 스플라인 사이의 프리로드된 맞물림 구조를 통해 매우 낮은 백래시를 구현할 수 있습니다.

어느 쪽이 더 우수한가?

백래시 최소화가 핵심 요구사항인 경우 일반적으로 하모닉 감속기가 유리합니다. 그러나 엔지니어는 백래시를 전체적인 정확도 분석의 대체 기준으로 사용해서는 안 됩니다.

토크 및 토크 밀도

두 기술 모두 높은 출력 토크를 제공할 수 있지만, 이를 구현하는 방식은 서로 다릅니다.

유성:

• 여러 유성기어가 하중을 분산합니다.

• 높은 연속 토크가 필요한 애플리케이션에 매우 적합합니다.

• 높은 강성이 까다로운 기계적 하중을 견디는 데 도움이 됩니다.

• 다단 구성으로 더 높은 토크 증폭을 구현할 수 있습니다.

하모닉:

• 높은 감속비를 통해 상당한 토크 증폭이 가능합니다.

• 컴팩트한 구조로 높은 토크 밀도를 제공합니다.

• 액추에이터의 중량과 부피가 제한적인 경우 특히 매력적입니다.

로봇 분야에서는 감속기 자체의 토크 밀도보다는 전체 액추에이터의 토크 밀도를 비교하는 것이 더 적절합니다.

효율

효율은 모바일 로봇과 배터리 구동 로봇에서 특히 중요합니다.

유성:

유성 기어 전달 시스템은 일반적으로 높은 효율로 알려져 있으며, 특히 최적화된 기어 형상, 베어링 및 윤활을 적용할 경우 높은 효율을 얻을 수 있습니다.

하모닉:

하모닉 감속기의 효율은 다음 요소에 크게 좌우됩니다.

• 감속비

• 입력 속도

• 출력 토크

• 플렉스스플라인 변형

• 윤활

• 작동 온도

따라서 어느 한 구조가 항상 더 효율적이라고 단정하기보다는 동일한 운전 조건에서 특정 제품의 효율 곡선을 비교해야 합니다.

배터리 구동 로봇에서는 작은 효율 차이도 다음과 같은 요소에 영향을 줄 수 있습니다.

• 배터리 사용 시간

• 모터 온도

• 냉각 요구사항

• 연속 운전 능력

비틀림 강성

비틀림 강성은 토크가 가해졌을 때 동력 전달 시스템이 얼마나 비틀리는지를 나타냅니다.

유성:

강체 기어의 맞물림 구조는 일반적으로 높은 비틀림 강성을 제공합니다.

이는 다음과 같은 애플리케이션에 유리할 수 있습니다.

• 고속 서보 제어

• CNC 애플리케이션

• 고하중 위치 결정

• 변형에 대한 높은 저항성이 필요한 애플리케이션

하모닉:

플렉스스플라인은 의도적으로 유연하게 설계되므로 하모닉 시스템은 다른 강성 특성을 갖습니다.

이러한 컴플라이언스는 다음과 같은 요소에 영향을 줄 수 있습니다.

• 서보 응답

• 위치 안정성

• 힘 제어

• 동적 움직임

따라서 고성능 로봇 관절을 설계할 때 엔지니어는 감속기를 공칭 토크만으로 판단하기보다는 모터-감속기-부하로 구성된 전체 시스템을 검토해야 합니다.

충격 하중 및 내구성

유성:

유성 기어박스는 일반적으로 다음과 같은 조건이 포함된 애플리케이션에 적합합니다.

• 높은 하중

• 급격한 가속

• 비상 정지

• 반복적인 부하 변화

• 기계적 충격

강체 기어 구조는 높은 기계적 견고성을 제공합니다.

하모닉:

하모닉 감속기는 까다로운 로봇 애플리케이션에서도 안정적으로 작동할 수 있지만, 심한 충격이나 과부하 조건에서는 플렉스스플라인과 치아에 가해지는 하중에 더 세심한 주의가 필요합니다.

따라서 부하 프로파일은 감속기 선택에서 중요한 요소입니다.

적절한 가속 제어와 함께 중간 수준의 연속 토크로 작동하는 기어박스와 반복적으로 피크 토크 및 충격에 노출되는 기어박스는 수명이 크게 다를 수 있습니다.

크기 및 중량

컴팩트한 로봇 관절에서는 크기와 중량이 토크만큼 중요할 수 있습니다.

하모닉:

단일 단계에서 높은 감속비를 구현할 수 있기 때문에 하모닉 감속기는 다음과 같은 경우 특히 매력적입니다.

• 설치 공간이 제한적인 경우

• 중량이 제한적인 경우

• 높은 감속비가 필요한 경우

• 중공축 통합이 유용한 경우

유성:

유성 감속기 역시 특히 중간 수준의 감속비에서 매우 컴팩트한 구조를 구현할 수 있습니다.

그러나 매우 높은 감속비를 구현하려면 여러 단이 필요할 수 있으며, 이로 인해 전체적인 크기와 중량이 증가할 수 있습니다.

비용 및 유지보수

유성 감속기:

• 유성 감속기는 일반적으로 다음과 같은 장점을 갖습니다.

• 성숙한 제조 공정

• 폭넓은 부품 공급

• 다양한 공급업체 선택지

• 경쟁력 있는 가격

• 간편한 윤활 및 유지보수

따라서 비용에 민감한 자동화 시스템에 매력적인 선택지가 될 수 있습니다.

하모닉 감속기:

하모닉 감속기는 일반적으로 다음을 요구합니다.

• 높은 제조 정밀도

• 특수 부품

• 정밀한 조립

• 적절한 윤활

이로 인해 초기 비용이 더 높아질 수 있습니다.

그러나 초기 구매 가격만을 유일한 고려 요소로 삼아서는 안 됩니다.

엔지니어와 구매 담당자는 다음과 같은 요소도 함께 평가해야 합니다.

• 예상 사용 수명

• 유지보수 주기

• 교체 비용

• 가동 중단 시간

• 통합 비용

• 시스템 성능

• 총소유비용(TCO)

로봇에는 어떤 감속기가 더 적합한가?

최신 로봇에서는 감속기 선택이 설계 과정의 한 부분에 불과합니다. 궁극적으로 로봇 관절의 성능은 모터, 감속기, 엔코더, 드라이버, 베어링, 하우징 및 열 관리 시스템이 서로 얼마나 효과적으로 작동하는지에 따라 결정됩니다.

따라서 연속 토크, 피크 토크, 토크 밀도, 출력 속도, 백래시, 강성, 중량, 효율, 백드라이버빌리티 및 열 성능과 같은 액추에이터 수준의 파라미터가 감속기 자체를 독립적으로 평가하는 것보다 더 의미 있는 기준이 될 수 있습니다.

최적의 동력 전달 방식은 로봇의 구조에 따라 달라질 수 있으며, 동일한 로봇에서도 관절마다 다를 수 있습니다. 휴머노이드의 고관절은 높은 토크, 강성 및 하중 지지 능력을 우선시할 수 있는 반면, 팔이나 손목 관절은 정밀도, 컴팩트한 구조 및 경량화에 더 큰 비중을 둘 수 있습니다. 고도로 동적인 로봇에서는 백드라이버빌리티, 충격 응답 및 열 성능 역시 중요한 요소가 될 수 있습니다.

따라서 모든 로봇 관절에 이상적인 단일 동력 전달 구조는 존재하지 않습니다. 매우 낮은 백래시와 높은 감속비가 중요한 경우 하모닉 기어가 매력적인 선택이 될 수 있으며, 유성 기어는 토크 밀도, 강성, 효율, 내구성 및 컴팩트한 통합 측면에서 균형 잡힌 성능을 제공할 수 있습니다.

많은 로봇 애플리케이션에서 더 유용한 질문은 단순히 어떤 감속기가 더 좋은가가 아니라, 특정 관절의 요구사항에 가장 적합한 동력 전달 방식과 액추에이터 구성이 무엇인가입니다.

다음 사례에서는 CubeMars의 유성 기어 기반 액추에이터가 다양한 로봇 시스템에 어떻게 사용되고 있는지, 그리고 각 애플리케이션의 요구사항에 맞춰 액추에이터 성능을 선정해야 하는 이유를 보여줍니다.

실제 로봇 애플리케이션에서의 유성 액추에이터

휴머노이드 로봇

휴머노이드 로봇은 수십 개의 구동 관절을 포함할 수 있으며, 각 관절은 토크, 속도, 정밀도, 강성, 중량 및 동적 요구사항에서 서로 다른 조합을 필요로 할 수 있습니다.

예를 들어:

• 고관절은 높은 토크, 강성 및 하중 지지 능력을 우선시할 수 있습니다.

• 무릎 관절은 높은 토크 밀도를 요구하면서 상당한 동적 하중과 충격 하중을 받을 수 있습니다.

• 발목 관절은 컴팩트한 구조, 동적 응답 및 지면과의 상호작용을 더욱 중요하게 고려할 수 있습니다.

• 팔 관절은 정밀도, 경량화, 컴팩트한 통합 및 부드러운 움직임을 우선시할 수 있습니다.

이는 휴머노이드 로봇이 모든 관절에 반드시 동일한 동력 전달 구조를 필요로 하는 것은 아니라는 것을 의미합니다.

각 관절의 요구사항에 따라 모터 유형, 감속비, 동력 전달 구조, 엔코더 및 제어 전략을 서로 다르게 조합하여 선택할 수 있습니다.

WATonomous 휴머노이드 프로젝트에서는 팔과 다리 전반에 서로 다른 CubeMars 액추에이터가 사용됩니다. 높은 토크가 필요한 주요 관절에는 AK Series 및 AKH Series 액추에이터가 사용되며, 컴팩트한 GL40 II는 손목과 그리퍼에 사용됩니다.

이 프로젝트는 휴머노이드 액추에이터 설계에서 중요한 원칙을 보여줍니다. 즉, 관절마다 서로 다른 액추에이터 구조와 성능 특성이 필요할 수 있으므로 관절별 접근 방식이 필수적입니다.

최신 휴머노이드 및 보행 로봇에서는 단순히 어떤 감속기를 사용할 것인가를 결정하는 것이 아니라, 각 관절에 필요한 토크, 중량, 강성, 백드라이버빌리티, 동적 응답 및 제어 가능성의 균형을 가장 적절하게 제공하는 액추에이터 구조가 무엇인지가 점점 더 중요해지고 있습니다.

외골격

외골격은 액추에이터가 사용자의 자연스러운 움직임과 밀접하게 연동되어야 하기 때문에 다른 형태의 과제를 제시합니다. 외골격 모터는 충분한 보조력을 제공하면서도 가볍고 응답성이 높으며 사용자의 움직임에 기계적으로 유연하게 대응할 수 있어야 합니다.

실제 사례로는 OpenExo가 있습니다. CubeMars AK 로봇 액추에이터로 구동되는 모듈형 외골격으로, 컴팩트한 로봇 액추에이터를 웨어러블 로봇 시스템에 통합할 수 있는 방법을 보여줍니다.

일반적인 요구사항은 다음과 같습니다.

• 높은 토크 대비 중량비

• 컴팩트한 액추에이터 크기

• 부드러운 움직임

• 백드라이버빌리티

• 빠른 응답

• 낮은 기계적 저항

• 안정적인 작동

AGV나 산업용 기계와 달리 외골격은 단순히 최대 출력 토크를 높이는 방향으로 최적화할 수 없습니다. 과도한 액추에이터 중량이나 기계적 저항은 사용자의 움직임과 착용감에 직접적인 영향을 줄 수 있습니다.

많은 외골격 관절에서 유성 기어 기반 액추에이터는 토크, 컴팩트함, 중량 및 제어 가능성 사이에서 실용적인 균형을 제공할 수 있습니다. 적절한 구성은 필요한 보조 토크, 운동 범위, 제어 전략 및 인간-기계 상호작용 요구사항에 따라 달라집니다.

사족보행 로봇

사족보행 로봇은 매우 동적인 조건에서 작동합니다. 다리 관절은 지면과의 접촉 변화 및 외부 교란에 대응하면서 로봇을 반복적으로 가속하고 감속해야 합니다.

주요 요구사항은 다음과 같습니다.

• 높은 피크 토크

• 높은 토크 밀도

• 높은 출력 대비 중량비

• 빠른 동적 응답

• 충격 하중 저항성

• 백드라이버빌리티

• 높은 강성

• 열 성능

이러한 요구사항은 실제 사족보행 로봇 애플리케이션에서도 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 사족보행 로봇 Kemba는 동적 움직임과 점프에 필요한 높은 토크, 빠른 응답 및 정밀도를 구현하기 위해 CubeMars 액추에이터를 사용합니다.

또 다른 애플리케이션에서는 농업용 사족보행 로봇이 까다로운 야외 환경에 대응하기 위해 CubeMars 액추에이터를 사용합니다. 이는 농업 로봇 분야에서 높은 토크, 컴팩트한 통합 및 신뢰성 높은 다관절 제어가 중요하다는 점을 보여줍니다.

이러한 사례는 사족보행 로봇 액추에이터가 로봇의 구체적인 애플리케이션에 따라 토크, 속도, 중량, 정밀도 및 기계적 특성 사이에서 균형을 이루어야 하는 이유를 보여줍니다.

사족보행 로봇에서는 높은 강성이나 백드라이버빌리티를 단독으로 평가해서는 안 됩니다.

높은 강성은 힘 전달을 향상시킬 수 있으며, 적절한 컴플라이언스와 백드라이버빌리티는 고르지 않은 지형과의 상호작용에 도움이 될 수 있습니다.

이러한 이유로 기어드 액추에이터와 저감속비 액추에이터 구조는 모두 보행 로봇 분야에서 여전히 중요한 의미를 갖습니다. 유성 기어 기반 액추에이터는 높은 토크 밀도, 강성, 효율 및 기계적 견고성을 효과적으로 조합할 수 있어, 높은 하중과 동적 충격을 반복적으로 받는 관절에 특히 적합합니다.

최적의 솔루션은 고관절, 무릎 관절, 발목 관절 및 기타 관절의 구체적인 요구사항에 따라 달라집니다.

요약

유성 감속기와 하모닉 감속기는 각각 로봇 모션에 고유한 장점을 제공합니다. 유성 기어 방식은 높은 토크, 강성, 효율, 내구성 및 동적 하중에 대한 저항성을 우선시하는 애플리케이션에 적합하며, 하모닉 기어 방식은 낮은 백래시, 높은 감속비, 컴팩트한 크기 및 정밀한 움직임이 필요한 관절에 특히 매력적입니다.

그러나 최신 로봇에서는 감속기 선택이 액추에이터 설계의 한 부분에 불과합니다. 로봇 관절의 성능은 모터, 감속기, 엔코더, 드라이버, 베어링, 기계 구조 및 열 관리 시스템 간의 상호작용에 따라 달라집니다. 따라서 엔지니어는 하나의 사양만을 기준으로 동력 전달 방식을 선택하기보다는 전체 액추에이터를 종합적으로 평가해야 합니다.

산업 자동화와 모바일 로봇부터 사족보행 로봇 및 휴머노이드 로봇에 이르기까지 로봇 애플리케이션이 계속 발전함에 따라, 각 관절은 토크, 속도, 정밀도, 강성, 중량 및 동적 응답에 대해 서로 다른 조합을 요구합니다. 따라서 적합한 동력 전달 방식은 전체 로봇 시스템의 요구사항에 가장 잘 부합하면서 액추에이터가 애플리케이션에서 요구하는 성능을 발휘할 수 있도록 하는 방식입니다.